曹 輝

(1.中國長江三峽集團公司,北京100038;2.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心,四川成都610041)

隨著廠網(wǎng)分開、電力市場改革的不斷深入,水電站作為電力市場主體之一,其角色和經(jīng)營目標(biāo)發(fā)生了明顯變化。如何調(diào)度梯級水電站,達(dá)到降低成本、優(yōu)化運行的目的,是每個電力企業(yè)迫切需要解決的問題。水電站短期優(yōu)化調(diào)度是提高發(fā)電收益的重要手段[1-2]。短期優(yōu)化調(diào)度能在考慮電站水情、電力市場環(huán)境及電站特點等因素的情況下,制定優(yōu)化的競價電量,為參與市場競價提供重要的決策支持[1]。本文通過選擇梯級發(fā)電量最大模型對流域不同頻率來水情況下梯級電站的發(fā)電量進(jìn)行計算分析,進(jìn)而總結(jié)了烏江梯級電站短期優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電規(guī)律,為梯級電站短期調(diào)度計劃的制定提供決策指導(dǎo)[3- 6]。

1 流域概況

烏江是長江上游南岸最大的一條支流,全長1 037 km,流域面積8.8 km2,多年平均水量534億m3。烏江流域為降水補給河流,降雨集中在5～10月,暴雨集中在6、7兩個月,洪水主要由暴雨形成。由于暴雨急驟,匯流迅速,洪水漲落快,峰形尖瘦,洪量集中。烏江流域天然落差大,落差達(dá)到2 124 m,水量充沛,水力資源豐富,是西部大開發(fā)“西電東送”的主要電源點之一。目前,烏江干流已建和將建成的水庫群包括洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營、烏江渡、構(gòu)皮灘、思林和沙沱水庫。梯級各水庫的特征參數(shù)見表1。

2 烏江梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

為了挖掘烏江梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度規(guī)律,本文建立梯級發(fā)電量最大模型,目標(biāo)函數(shù)見式(1),該模型在未來一個調(diào)度期水庫始、末水位及短期預(yù)報入庫徑流已知的情況下,考慮各水庫電站實際情況及電網(wǎng)綜合約束,尋求梯級各電站的某種短期聯(lián)合運行方式,使調(diào)度期內(nèi)梯級電站的總發(fā)電量最大[7-9]。

表1 烏江梯級水庫群主要特征參數(shù)

(1)

式中,E為調(diào)度期內(nèi)梯級總發(fā)電量；N(i,t)為第i梯級水庫t時段平均出力；Δt為時段長；N為梯級水電站數(shù)目；T為時段數(shù)目。

2.2 約束條件

水量平衡約束

V(m,t+1)=V(m,t)+(QI(m,t)-QO(m,t))×Δt

(2)

蓄水位限制

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(3)

出庫流量約束

QOmin(m,t)≤QO(m,t)≤QOmax(m,t)

(4)

電站出力限制

Nmin(m,t)≤N(m,t)≤Nmax(m,t)

(5)

式中,QI(m,t)、QO(m,t)為第m級電站、第t時段入庫、出庫流量；V(m,t)、V(m,t+1)為第m級電站第t時段初、末庫容；Zmax(m,t)、Zmin(m,t)為第m級電站第t時段水位變化上、下限；QOmax(m,t)、QOmin(m,t)為第m級電站第t時段出庫流量約束上、下限值；Nmax(m,t)、Nmin(m,t)為第m級電站第t時段出力約束上、下限。

2.3 模型求解

本文研究采用關(guān)聯(lián)平衡協(xié)調(diào)和關(guān)聯(lián)預(yù)估協(xié)調(diào)所組成的混合法對原問題進(jìn)行分解,選取的協(xié)調(diào)變量為拉格朗日乘子λit和水庫入庫流量Qrit,研究中將烏江梯級水電站群分解為7個獨立的子系統(tǒng),即洪家渡水庫、東風(fēng)水庫、索風(fēng)營水庫、烏江渡水庫、構(gòu)皮灘水庫、思林水庫和沙陀水庫七個子系統(tǒng)。單庫優(yōu)化采用POA算法進(jìn)行求解(配合0.618法兩階段尋優(yōu)),然后通過二級協(xié)調(diào)器把各子系統(tǒng)連接在一起,并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的最優(yōu)以達(dá)到大系統(tǒng)的整體最優(yōu),使之滿足協(xié)調(diào)約束,一旦滿足則各子系統(tǒng)的最優(yōu)解即為整個系統(tǒng)最優(yōu)解。在求解短期優(yōu)化調(diào)度時需要根據(jù)具體情況考慮水流時滯問題,因此構(gòu)造原問題的拉格朗日函數(shù)表示為

(6)

式中,uit、λit為拉格朗日乘子。由于不考慮梯級系統(tǒng)出力限制要求,構(gòu)造函數(shù)時不需要考慮相應(yīng)的庫恩-塔克乘子,只需進(jìn)行兩級遞接控制。

當(dāng)選取λit和Qrit作為協(xié)調(diào)變量時,在協(xié)調(diào)級給定的情況下,對上述拉格朗日函數(shù)分解,則可表達(dá)成如下加性可分形式:

(7)

式中,cont為常數(shù)。

由此可將本次研究的大系統(tǒng)問題分解為如下n個子問題

(8)

分別對協(xié)調(diào)變量Qrit和λit求導(dǎo)可以得出考慮水流時滯的第二級協(xié)調(diào)器的計算公式為

(9)

(10)

式中,k為迭代次數(shù)；ηj為第j水庫的出力系數(shù)；Hjjt為第j水庫t時段的平均水頭。

3 梯級水電站發(fā)電量最大模型結(jié)果及分析

3.1 常規(guī)調(diào)度

選取不同頻率的來水(P=10%、25%、50%、75%、90%),調(diào)度期各庫的始末水位相同,分別取洪家渡始末水位1 120 m；東風(fēng)始末水位960 m；索風(fēng)營始末水位830 m；烏江渡始末水位740 m；構(gòu)皮灘始末水位630 m；思林始末水位435 m；沙沱始末水位360 m。以梯級發(fā)電量最大為目標(biāo),采用等流量調(diào)節(jié)方法,計算烏江干流7庫96點日調(diào)度,結(jié)果如表2、3所示。以上常規(guī)調(diào)度結(jié)果可以看出：

表2 不同頻率來水的常規(guī)調(diào)度計算結(jié)果

表3 不同頻率來水的優(yōu)化調(diào)度梯級計算結(jié)果

(1)各庫發(fā)電量占梯級發(fā)電比重不同,隨來水改變呈現(xiàn)不同變化趨勢。構(gòu)皮灘占梯級發(fā)電比重最大,各頻率來水條件下均超過33.61%；而洪家渡最小,僅占5%左右。

(2)隨著來水的變化,各水庫發(fā)電量占梯級總發(fā)電量比重略有變化,其中洪家渡水庫所占比重隨來水減少而不斷減少,從來水頻率p=10%的5.62%減少到p=90%的4.82%,減少幅度為0.8%；而索風(fēng)營、烏江渡水庫占梯級比重隨來水減少則不斷增加,其中索風(fēng)營從來水頻率p=10%的6.04%增加到p=90%的6.29%,增加幅度為0.25%,烏江渡從來水頻率p=10%的13.56%增加到p=90%的14.46%,增加幅度為0.92%；構(gòu)皮灘水位變化略有波動,整體呈現(xiàn)減少趨勢；其余各庫中,東風(fēng)隨來水增加呈增加趨勢,思林與沙沱水庫隨來水的變化波動,趨勢但并不明顯。

3.2 優(yōu)化調(diào)度

選取不同頻率的來水,各庫始末水位相同與常規(guī)調(diào)度一致,以梯級發(fā)電量最大為目標(biāo),采用大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)方法,計算烏江干流7庫96點日調(diào)度,結(jié)果如表3所示。從優(yōu)化調(diào)度結(jié)果可以看到出：

(1)構(gòu)皮灘仍然占梯級發(fā)電比重最大,而且比常規(guī)占梯級比重略微提高,各頻率來水條件下均超過34%；洪家渡仍舊最小,但是比重有所提高,均超過5.1%。與常規(guī)調(diào)度相比,東風(fēng)、索風(fēng)營水庫發(fā)電量占梯級總量比重略有增加,烏江渡、沙沱有所減少,思林沒有太大變化。

(2)隨著來水的變化,優(yōu)化調(diào)度的各水庫發(fā)電量占梯級發(fā)電量比重略有變化,其中洪家渡水庫所占比重隨來水減少而不斷減少,從來水頻率p=10%的5.89%減少到p=90%的5.10%,減少幅度為0.79%,與常規(guī)調(diào)度相差不多；索風(fēng)營、烏江渡水庫占梯級比重隨來水減少不斷增加,其中索風(fēng)營從來水頻率p=10%的6.64%增加到p=90%的6.81%,增加幅度為0.17%,比常規(guī)調(diào)度增幅減少,烏江渡從來水頻率p=10%的12.86%增加到p=90%的13.88%,增加幅度為1.02%,增幅略高于常規(guī)調(diào)度；其余各庫中,東風(fēng)、思林隨來水增加呈增加趨勢,沙沱呈減少趨勢,構(gòu)皮灘水庫隨來水的變化波動,趨勢并不明顯。

3.3 優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度對比分析

優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度的結(jié)果無法直接用來比較,因為兩種方法的梯級總來水量是不同的,原因是因為短期調(diào)度考慮了水流時滯的影響。在烏江干流梯級水庫中,相鄰兩庫最大水流時滯時間為3小時,最小也需要1小時,因此水流時滯在烏江短期日優(yōu)化調(diào)度中是一個不容忽視的因素。水流時滯對短期日優(yōu)化調(diào)度的影響集中體現(xiàn)在水量平衡方面,具體地說就是,由于水流滯時的影響,使得上級電站前一日最時間內(nèi)的流量參與下一級電站次日的水量平衡；同時本級電站當(dāng)日最后時間內(nèi)的流量參與下級電站次日的水量平衡。因此,上游電站的下泄流量、區(qū)間入流量以及進(jìn)入下游水庫的流量在一個時段甚至一日內(nèi),并不是平衡的。其中任一級電站的日發(fā)電水可視為兩部分組成。一部分為當(dāng)日水量,另一部分為前一日的水量。

但是為了能夠直觀的分析說明優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度的差異,做以下處理：①以梯級來水較少的優(yōu)化調(diào)度為基準(zhǔn),減少常規(guī)梯級來水到與優(yōu)化調(diào)度相同。②同倍比縮放常規(guī)調(diào)度除洪家渡以外其他各水庫的來水與發(fā)電量。

不同頻率來水的優(yōu)化調(diào)度下梯級發(fā)電量與經(jīng)過處理的不同頻率來水的常規(guī)調(diào)度下梯級發(fā)電量結(jié)果如表4所示。通過表4可以看出,隨著區(qū)間來水增大,發(fā)電量增加,但并不是來水越大,優(yōu)化的效果越明顯。當(dāng)區(qū)間來水頻率為50%的時候,優(yōu)化結(jié)果最為明顯,達(dá)到1.22%,區(qū)間來水頻率為10%的時候優(yōu)化效果最差,這是因為當(dāng)來水較大的時候,水庫的水位變幅減小,優(yōu)化能力減弱。

表4 不同頻率區(qū)間來水的梯級常規(guī)與優(yōu)化調(diào)度發(fā)電量比較

以區(qū)間來水頻率為50%為例,詳細(xì)分析各水庫在梯級水庫發(fā)電所占比重和優(yōu)化效果，結(jié)果見表5。由表5可以看到,沙沱和烏江渡優(yōu)化效果最差,小于常規(guī)調(diào)度,其他電站均優(yōu)于常規(guī)調(diào)度,其中以索風(fēng)營最為明顯,達(dá)到10.82%,其次為烏江渡8.04%,構(gòu)皮灘3.47%,思林不是很明顯只有1.03%,整個梯級發(fā)電量優(yōu)化調(diào)度較常規(guī)優(yōu)化1.22%,從上面的優(yōu)化結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)兩個具有多年調(diào)節(jié)性能的水庫水位變化最小,洪家渡與構(gòu)皮灘水位變化只有0.03 m；調(diào)節(jié)性能較弱的水庫水位變化較大,其中以庫容最小的索風(fēng)營水位變化最大,達(dá)到1.8 m,可以認(rèn)為水位變化幅度與庫容大小直接相關(guān)。

(2)從水位變化過程來看,具有日調(diào)節(jié)以上性能的水庫,除了東風(fēng)在前期因為受洪家渡放水的影響,水位略微抬升,其他3座水庫均前期降低水位,后期抬高水位,3座日調(diào)節(jié)性能水庫均采取前期蓄水后期放水原則。

表5 P=50%的常規(guī)與優(yōu)化調(diào)度比較

4 結(jié) 論

本文應(yīng)基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)算法對發(fā)電量最大模型進(jìn)行求解,其中洪家渡水庫所占比重隨來水減少而不斷減少,索風(fēng)營、烏江渡水庫占梯級比重隨來水減少不斷增加,東風(fēng)、思林隨來水增加呈增加趨勢,沙沱呈減少趨勢,構(gòu)皮灘水庫隨來水的變化波動,趨勢并不明顯。并于不同頻率來水的常規(guī)算法進(jìn)行比較,當(dāng)區(qū)間來水頻率為50%的時候,優(yōu)化結(jié)果最為明顯,達(dá)到1.22%,區(qū)間來水頻率為10%的時候優(yōu)化效果最差。最后對50%頻率來水的發(fā)電過程進(jìn)行了分析,從水位變化過程來看,具有日調(diào)節(jié)以上性能的水庫,除了東風(fēng)在前期因為受洪家渡放水的影響,水位略微抬升,其他3座水庫均前期降低水位,后期抬高水位,3座日調(diào)節(jié)性能水庫均采取前期蓄水后期放水原則。

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